JP4701304B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層を含むアノード側電極及びカソード側電極が設けられた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と拡散層（例えば、多孔質カーボン）からなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した発電セルを備えている。通常、この発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

この種の燃料電池には、例えば、特許文献１に開示されている構成が採用されている。この特許文献１では、図７に示すように、単位セル１を備えており、前記単位セル１は、電解質膜２の両面に触媒電極３ａ、３ｂを塗布するとともに、前記触媒電極３ａ、３ｂの両側にガス拡散電極４ａ、４ｂが配置されている。

ガス拡散電極４ａ、４ｂには、セパレータ５ａ、５ｂが配置され、前記ガス拡散電極４ａと前記セパレータ５ａとの間には、触媒電極３ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路６ａが形成される一方、前記ガス拡散電極４ｂと前記セパレータ５ｂとの間には、触媒電極３ｂに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路６ｂが形成されている。

特開２００２−３７３６７８号公報（図１）

ところで、上記の単位セル１では、発電時にカソード側である触媒電極３ｂで反応生成水が発生し易く、この触媒電極３ｂが塗布されている電解質膜２の触媒塗布部が膨潤する。このため、電解質膜２では、触媒電極３ａ、３ｂが塗布されていない触媒非塗布部と、触媒塗布部との間に寸法変化が惹起し、応力が発生するおそれがある。しかも、触媒電極３ａ、３ｂの端部は、触媒塗布部の外周境界部位であって電解質膜２が応力集中により破損し易い部分である。

しかしながら、特許文献１では、セパレータ５ａ、５ｂに設けられている複数の凸部７ａ、７ｂでガス拡散電極４ａ、４ｂを挟持しているものの、触媒電極３ａ、３ｂの端部を確実に挟持することができない。これにより、電解質膜２にクラック等が発生するという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質膜に応力が発生することを確実に阻止し、簡単な構成で、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層を含むアノード側電極及びカソード側電極が設けられた電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持するとともに、一方の金属セパレータは、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を設け、他方の金属セパレータは、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を設ける燃料電池である。

そして、アノード側電極の電極触媒層の外周端部と、カソード側電極の電極触媒層の外周端部とは、電解質膜を挟んで互いに異なる位置に配置され、一方の金属セパレータは、酸化剤ガス流路の外側に形成される第１外周凸部を備え、他方の金属セパレータは、燃料ガス流路の外側に形成される第２外周凸部を備えるとともに、前記第１及び第２外周凸部は、カソード側電極及びアノード側電極に接触する接触幅内で電極触媒層の外周端部を挟持するとともに前記電解質膜の一方の面とカソード側電極との間及び前記電解質膜の他方の面とアノード側電極との間にそれぞれ接着剤層を設けている。

また、第１外周凸部がカソード側電極に接触する接触幅は、酸化剤ガス流路の内側に形成される第１凸部が前記カソード側電極に接触する接触幅よりも広く設定される一方、第２外周凸部がアノード側電極に接触する接触幅は、燃料ガス流路の内側に形成される第２凸部が前記アノード側電極に接触する接触幅よりも広く設定されることが好ましい。

本発明では、一方の金属セパレータの第１外周凸部と他方の金属セパレータの第２外周凸部とが、電極触媒層の外周端部、すなわち、該電極触媒層の外周境界部位を確実に挟持することができるため、電解質膜に応力集中が惹起することがない。これにより、電解質膜の破損が可及的に阻止されるとともに、簡単な構成で、良好な発電性能を得ることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第１金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の断面説明図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。なお、複数の燃料電池１０を積層することにより、燃料電池スタックを構成してもよい。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２金属セパレータ１６、１８とを備える。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、薄板状金属製プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等を用い、プレス成形により所望の形状に成形されている。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、図２に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層３２ａ、３２ｂと、前記電極触媒層３２ａ、３２ｂに配設されるカーボンペーパー等からなるガス拡散層３４ａ、３４ｂとを有する。

電極触媒層３２ａ、３２ｂは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層３４ａ、３４ｂの表面に一様に塗布している。カソード側電極２８を構成する電極触媒層３２ａの面積は、アノード側電極３０を構成する電極触媒層３２ｂの面積よりも小さく設定される。ガス拡散層３４ａ、３４ｂは、電極触媒層３２ａ、３２ｂよりも大きな面積に設定されるとともに、前記ガス拡散層３４ａ、３４ｂの外周端部と固体高分子電解質膜２６とは、接着剤層３５ａ、３５ｂにより接着される。図１に示すように、カソード側電極２８及びアノード側電極３０の電極触媒塗布範囲Ｈは、ガス拡散層３４ａ、３４ｂの外周端部より内方に設けられる。

図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が形成される。第１金属セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂと第２金属セパレータ１８との間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される（図４参照）。酸化剤ガス流路３６と冷却媒体流路３８とは、第１金属セパレータ１６をプレス加工することによって表裏一体に形成される。

具体的には、例えば、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより、面１６ａには酸化剤ガス流路３６を構成する複数の溝部３６ａを設けるとともに、面１６ｂには冷却媒体流路３８を構成する複数の溝部３８ａを設ける。図３及び図４に示すように、面１６ａには、面１６ｂに溝部３８ａを設けることにより第１凸部３６ｂが形成される一方、前記面１６ｂには、前記面１６ａに溝部３６ａを設けることにより第１凸部３８ｂが形成される。

複数の溝部３６ａ、３８ａは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在し、その矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部４０ａ、４０ｂが、例えば、エンボス加工によりそれぞれの面１６ａ、１６ｂ側に突出して設けられる。

面１６ａには、図３に示すように、酸化剤ガス流路３６の外側に位置し、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給連通孔２０ａから酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに案内する略Ｌ字状の２つの第１外周凸部４２ａが形成される。第１外周凸部４２ａでは、図２に示すように、カソード側電極２８を構成する電極触媒層３２ａの外周端部が、該第１外周凸部４２ａの幅方向略中間位置に配置される。

第１外周凸部４２ａがカソード側電極２８に接触する接触幅Ｌ１は、第１凸部３６ｂが前記カソード側電極２８に接触する接触幅Ｌ２よりも広く設定され、後述するように、電極触媒層３２ａの寸法ずれに十分に対応して前記電極触媒層３２ａの外周端部を確実に挟持することができる。面１６ｂには、図４に示すように、第１外周凸部４２ａの裏面である略Ｌ字状の２つの第１凹部４２ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４６が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材４６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材４６は、面１６ａにおいて、酸化剤ガス流路３６を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路３６を酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに連通させる線状シール部４６ａを有する（図３参照）。

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂと第１金属セパレータ１６との間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。燃料ガス流路４８と冷却媒体流路３８とは、第２金属セパレータ１８をプレス加工することによって表裏一体に形成される。

具体的には、例えば、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより、面１８ａに燃料ガス流路４８を構成する複数の溝部４８ａを設けるとともに（図５参照）、面１８ｂに冷却媒体流路３８を構成する複数の溝部３８ａを設ける（図１参照）。面１８ａには、面１８ｂに溝部３８ａを設けることにより第２凸部４８ｂが形成される一方、前記面１８ｂには、前記面１８ａに溝部４８ａを設けることにより第１凸部３８ｂが形成される。

複数の溝部４８ａ、３８ａは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在し、その矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部５０ａ、５０ｂが、例えば、エンボス加工によりそれぞれの面１８ａ、１８ｂ側に突出して設けられる。

面１８ａには、図５に示すように、燃料ガス流路４８の外側に位置し、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔２４ａから燃料ガス排出連通孔２４ｂに案内する略Ｌ字状の２つの第２外周凸部５２ａが形成される。第２外周凸部５２ａでは、図２に示すように、アノード側電極３０を構成する電極触媒層３２ｂの外周端部が、該第２外周凸部５２ａの幅方向略中間位置に配置される。

第２外周凸部５２ａがアノード側電極３０に接触する接触幅Ｌ１は、第２凸部４８ｂが前記アノード側電極３０に接触する接触幅Ｌ２よりも広く設定され、後述するように、電極触媒層３２ｂの寸法ずれに十分に対応して前記電極触媒層３２ｂの外周端部を確実に挟持可能である。面１８ｂには、図１に示すように、第２外周凸部５２ａの裏面である略Ｌ字状の２つの第２凹部５２ｂが設けられる。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５４が焼き付けや射出成形等により一体化される。第２シール部材５４は、第１シール部材４６と同一の材料で構成されており、面１８ａには、燃料ガス流路４８を囲繞するとともに、前記燃料ガス流路４８を燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通させる線状シール部５４ａが設けられる（図５参照）。

面１８ｂには、冷却媒体流路３８を囲繞するとともに、前記冷却媒体流路３８を冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂに連通させる線状シール部５４ｂが設けられる（図１参照）。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２４ａに供給された燃料ガスは、図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３２ａ、３２ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。

次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される（図５参照）。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３８に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、第１金属セパレータ１６は、酸化剤ガス流路３６の外側に形成される第１外周凸部４２ａを備えるとともに、第２金属セパレータ１８は、燃料ガス流路４８の外側に形成される第２外周凸部５２ａを備えている。

そして、図２に示すように、第１及び第２外周凸部４２ａ、５２ａは、電解質膜・電極構造体１４を構成する電極触媒層３２ａ、３２ｂの外周端部、すなわち、外周境界部位を挟持している。このため、反応生成水により固体高分子電解質膜２６が膨潤しても、電極触媒層３２ａ、３２ｂの外周端部位置に対応して前記固体高分子電解質膜２６に応力集中が惹起することはない。しかも、電極触媒層３２ａの外周端部位置と電極触媒層３２ｂの外周端部位置とは、積層方向に互いに異なる位置に設定されている。従って、固体高分子電解質膜２６に応力集中が惹起することを防止することができる。

これにより、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜２６の損傷を可及的に阻止するとともに、簡単な構成で、良好な発電性能を得ることが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、第１及び第２外周凸部４２ａ、５２ａは、酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路４８の内側に形成される第１及び第２凸部３６ｂ、４８ｂよりも幅広に構成されている。具体的には、図２に示すように、第１及び第２外周凸部４２ａ、５２ａの接触幅Ｌ１は、第１及び第２凸部３６ｂ、４８ｂの接触幅Ｌ２よりも広く設定されている。

ここで、第１及び第２金属セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４の電極触媒層３２ａ、３２ｂの外周端部との間には位置ずれが惹起し易い。具体的には、固体高分子電解質膜２６に電極触媒を塗布する際の位置ずれ、前記固体高分子電解質膜２６とガス拡散層３４ａ、３４ｂとを一体化する際の位置ずれ、第１及び第２金属セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４とを一体化する際の位置ずれ、前記第１及び第２金属セパレータ１６、１８をプレス成形する際の位置ずれ、あるいは、スタック化するために第１及び第２金属セパレータ１６、１８同士を一体化する際の位置ずれ等が発生し易い。

そこで、第１の実施形態では、第１及び第２外周凸部４２ａ、５２ａを第１及び第２凸部３６ｂ、４８ｂよりも幅広に設定することにより、上記の位置ずれを有効に吸収することができ、電極触媒層３２ａ、３２ｂの外周端部を第１及び第２外周凸部４２ａ、５２ａ間で確実に保持することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜２６に損傷が発生することを可及的に阻止し、良好な発電性能を維持することができるという利点がある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。

燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２カーボンセパレータ７２、７４を備える。第１カーボンセパレータ７２は、酸化剤ガス流路３６の複数の溝部３６ａを形成する第１凸部７６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路３６の外側に位置して第１外周凸部７８が形成される。第１外周凸部７８の接触幅Ｌ３は、第１凸部７６の接触幅Ｌ４よりも広く設定される。

第２カーボンセパレータ７４は、燃料ガス流路４８の複数の溝部４８ａを形成する第２凸部８０を設けるとともに、前記燃料ガス流路４８の外側に位置して第２外周凸部８２が形成される。第２外周凸部８２の接触幅Ｌ３は、第２凸部８０の接触幅Ｌ４よりも広く設定される。固体高分子電解質膜２６の外周縁部と、第１及び第２カーボンセパレータ７２、７４との間には、シール部材８４ａ、８４ｂが介装される。

このように構成される第２の実施形態では、第１及び第２カーボンセパレータ７２、７４の第１及び第２外周凸部７８、８２は、電極触媒層３２ａ、３２ｂの外周端部を確実に挟持するとともに、前記第１及び第２外周凸部７８、８２の接触幅Ｌ３は、第１及び第２凸部７６、８０の接触幅Ｌ４よりも広く設定されている。これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜２６の損傷を可及的に阻止するとともに、良好な発電性能を得ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １４…電解質膜・電極構造体
１６、１８…金属セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極 ３０…アノード側電極
３２ａ、３２ｂ…電極触媒層 ３４ａ、３４ｂ…ガス拡散層
３６…酸化剤ガス流路 ３６ａ、３８ａ、４８ａ…溝部
３６ｂ、３８ｂ、４８ｂ、７６、８０…凸部
３８…冷却媒体流路
４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂ…突起部
４２ａ、５２ａ、７８、８２…外周凸部
４２ｂ、５２ｂ…凹部 ４６、５４…シール部材
４８…燃料ガス流路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層を含むアノード側電極及びカソード側電極が設けられた電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持するとともに、一方の金属セパレータは、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を設け、他方の金属セパレータは、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を設ける燃料電池であって、
   前記アノード側電極の前記電極触媒層の外周端部と、前記カソード側電極の前記電極触媒層の外周端部とは、前記電解質膜を挟んで互いに異なる位置に配置され、
   前記一方の金属セパレータは、前記酸化剤ガス流路の外側に形成される第１外周凸部を備え、
   前記他方の金属セパレータは、前記燃料ガス流路の外側に形成される第２外周凸部を備え、
   前記第１及び第２外周凸部は、前記カソード側電極及び前記アノード側電極に接触する接触幅内で前記電極触媒層の外周端部を挟持するとともに前記電解質膜の一方の面とカソード側電極との間及び前記電解質膜の他方の面とアノード側電極との間にそれぞれ接着剤層を設けることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１外周凸部が前記カソード側電極に接触する接触幅は、前記酸化剤ガス流路の内側に形成される第１凸部が前記カソード側電極に接触する接触幅よりも広く設定される一方、
   前記第２外周凸部が前記アノード側電極に接触する接触幅は、前記燃料ガス流路の内側に形成される第２凸部が前記アノード側電極に接触する接触幅よりも広く設定されることを特徴とする燃料電池。

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